質譜自動化的現狀與未來展望

　　液相色譜-質譜聯用（LC-MS）技術憑借高特異性、高靈敏度、動態范圍寬、多指標聯檢等優勢，廣泛應用于食品分析、環境分析和生物制藥、科研等領域。近年來，隨著我國對精準醫學檢驗需求的提升及國內外專家的大力推廣，液質聯用技術越來越多的應用于臨床檢驗領域。與此同時，為了使質譜技術更好的服務于臨床實驗室，儀器廠商們紛紛推出了各式各樣的自動化樣本處理系統，以解決質譜技術在臨床檢測過程中存在的自動化問題。

　　本文通過盤點市場上質譜前端自動化設備，結合質譜技術的特征，試圖分析臨床質譜自動化的現狀并提出未來可能的發展方向。

　　一、臨床實驗室的工作流程

　　目前成熟的臨床檢驗工作流程大致可以分為兩類：一類為全自動分析工作流程，以較為成熟的如全自動化學發光儀、全自動生化分析儀等工作流程為例，包括檢測試劑和待測樣本的準備—條形碼的識別—儀器自動分析—報告的自動生成，整個過程為流水線式作業，可以做到無人值守，對操作人員的要求較低。

　　另一類可歸為半自動分析工作流程，以酶聯免疫法、PCR分析法為例，需要取樣、移液、洗滌等繁瑣的過程，整個過程一般需要手動完成。若用自動化液體工作站代替手動操作即為半自動分析工作流程。半自動分析工作流程雖然可以替代人工完成部分操作，但每個操作步驟之間的連貫性差，集成度低，無法實現無人值守的流水線作業。與質譜檢測法不同，盡管這類方法的樣本處理過程自動化程度不盡人意，但樣本一旦處理完成，酶標儀或PCR儀的檢測的通量極高，酶標儀一般僅需數十秒、PCR儀則需要2小時即可完成96份樣本的檢測，且在數據生成和處理上無需人工干預。

　　二、臨床質譜工作流程分析

　　如果將全自動化學發光儀的工作流程定義為自動化3.0，酶聯免疫法的工作流程定義為自動化2.0，那么質譜檢測的自動化工作流程還處在自動化1.0的水平。與全自動化學發光儀的工作流程相比，質譜檢測的自動化之路主要有兩個主要的制約因素。

全自動化學發光免疫分析儀

　　前處理設備與質譜儀集成度問題

　　樣本在進入LC-MS系統前需要經過預處理，得到能與液相系統流動相互溶，且不含固體顆粒的液態樣品。質譜法最常見的樣本前處理方法，包括蛋白沉淀法、液液萃取法和固相萃取法等^[1]。

蛋白沉淀法(PPT)樣本前處理流程

液液萃取法(LLE)樣本前處理流程

固相萃取法(SPE)樣本前處理流程

　　根據以上3種樣本前處理方法的流程圖可知，質譜法的前處理過程較為繁瑣，需要反復的移液，混合、離心等過程，涉及到渦旋混合器、離心機、氮吹儀等設備。近年來市場上推出了各式各樣的自動化液體工作站，這些工作站將移液器、離心機、氮吹儀、正壓固相萃取儀中的部分或全部功能都集成在封閉的空間內，從而實現流水線式的作業。

　　盡管這些設備解決了部分項目的樣本處理問題，但無法與質譜儀高度融合，使之成為集樣本處理、數據采集和分析于一體的全自動設備。其次，質譜項目處理流程過于復雜，經常存在“自由”變量，很難通過設定固定的程序對各種不同項目的樣本進行處理。此外，耗材的成本也制約了該類設備的應用和推廣。

自動化液體工作站

　　另一種自動化模式則與質譜儀的集成度較高，一般通過“二維液相”（也稱之為多通道LC-MS，如Thermo的turboflow技術）與一臺質譜儀串聯實現^[2]。該模式下液相色譜儀在分析柱前串接了凈化柱（至少兩套分析柱和兩套樣本凈化柱），分別由洗脫泵（Eluting pump）和載液泵（Loading pump）提供液體流路。由于該系統一般采用類似在線固相萃取（online SPE）的方式處理樣本，摒棄了蛋白沉淀法、液液萃取處理法等反復的移液過程，可直接吸取血清等樣本用于分析，因而集成度更高。此外，該系統具有兩套及以上的通道，采用多根色譜柱之間并聯方式，可交錯運行 LC-MS 分析程序，提高了質譜儀的利用率和樣本的檢測通量。該技術的不足同樣很明顯，SPE技術應用于多組分分析時，需要組分間的化學性質相似，這就極大的制約了該系統的應用場景。此外，血清或血漿樣本若不經過預處理而直接進入凈化柱（SPE柱），固然可以提高檢測通量，但也導致了損耗的加快和使用成本的升高。

多通道LC-MS系統及原理示意圖

　　液質聯用技術的局限

　　與光譜分析法不同，質譜分析法檢測的為物質的帶電離子，物質首先需要在離子源內被電離，通過采樣錐孔后進行離子聚焦、在質譜分析器中分離、最后被電子檢測器識別并進行信號的處理。該過程中出現的變量導致了質譜儀并非穩定性強的儀器，可能會出現信號波動，特別是外界環境變化較大時。盡管物質離子在質譜儀中經歷了一個相對“漫長”的過程，其檢測通量卻極高，每次掃描僅需數十毫秒，因此可以在一個色譜峰寬的時間內進行足夠次數的掃描，完美的與液相色譜技術形成優勢互補^[3]。

液相色譜-串聯質譜法的工作原理

　　令人遺憾的是，液相色譜（LC）分離的時間決定了其無法獲得使人滿意的檢測通量，即使最快的超高液相色譜法，每次檢測色譜分離也需要至少數分鐘，從這個角度來說，液相技術又阻礙了質譜法的臨床應用。其次，液相色譜技術存在過多的變量，如泵、流動相、色譜柱等等，特別是色譜柱，其產品本身性能、使用時間、串接方式等均會影響樣本檢測的結果，這也是導致臨床質譜實驗室對檢測人員素質要求較高的原因。與LC相關的問題，如柱堵塞、攜帶污染、峰容量限制、高成本和逐漸的柱效損失，是臨床質譜工作流程中出現數據質量問題或引起儀器故障的主要原因。這些挑戰在大規模樣品分析中變得更加明顯，如大量臨床樣本檢測通常需要LC系統在數十個小時持續的進樣和分析，此時色譜柱的性能會從其原始狀態持續降低，從而嚴重影響定量結果的一致性。即使用來自同一制造商的新色譜柱替換原有的色譜柱也可能無法完全解決這些問題。這些變量因素很難讓液質聯用儀成為化學發光儀這種自動化的檢測設備，可以說，當下液質聯用技術與臨床檢驗所需的穩定性強、通量高、易操作等特點并不匹配^[4]。

　　三、臨床質譜自動化方向

　　靈活性和自動化的抉擇

　　在實現全自動化質譜分析之前，需要做的是在質譜技術固有的開放、靈活與臨床檢測實驗室所要求的“自動化和標準化”之間做出權衡^[5]。在樣本處理層面，當實驗室樣本量較大時，采用部分功能或功能齊全的液體工作站或是二維液相模式將取決于對檢測通量、成本的預期。也可以通過將檢測方法升級，使其更適用于自動化設備，如用磁珠法代替固相萃取法，用載體液液萃取法（SLE）代替傳統液液萃取、用正壓過濾來代替上清液移取等。

　　在LC-MS/MS系統檢測層面，某些項目可通過簡化或放棄液相色譜分離過程來提高系統的自動化程度，從而提高穩定性和檢測通量。如安捷倫公司的RapidFire技術^[6]，采用通過式的固相萃取技術，可實現每個樣本20秒的檢測通量。由于該系統不含常規色譜柱，因此無需考慮色譜柱帶來的各種變量，十分適合對靈敏度無極致要求的項目，如維生素A、E的監測，治療藥物監測等。

RapidFire高通量液質聯用系統

　　未來自動化模式的探討

　　可以說臨床樣本與質譜儀之間的兼容性問題及液質聯用技術本身的局限性塑造了當前臨床質譜自動化現狀，而后者則起著決定性作用。在相關技術尚未取得新突破前提下，通過優化樣本處理流程，并將前處理過程中的各種設備及質譜儀集成在一臺超功能儀器上或許是當下的最好選擇。或許在不久的未來，在科研、制藥等非臨床領域質譜技術將繼續保持其靈活獨立的工作模式，使其能適用各種復雜的應用場景。而在醫學檢驗領域，則衍生出集樣本處理、數據采集、數據處理、報告打印為一體的全自動醫用質譜儀。隨著質譜技術的發展，也可能會出現新的分離技術(如離子淌度技術)^[7]，這種效率更高、更穩定的的分離技術將取代色譜技術，屆時制約質譜自動化的一些問題將會迎刃而解，從而實現真正意義上的全自動質譜分析儀。

　　參考文獻

　　[1]. 中國醫療保健國際交流促進會基層檢驗技術標準化分會,中國醫院協會臨床檢驗專業委員會.液相色譜-串聯質譜法臨床樣品前處理專家共識[J].中華預防醫學雜志,2023,57(12):2073-2085..

　　[2]. Di Gaudio, Francesca, Annamaria Cucina, and Sergio Indelicato. "Turbulent Flow Chromatography: A Unique Two-Dimensional Liquid Chromatography." High Performance Liquid Chromatography-Recent Advances and Applications. IntechOpen, 2023.

　　[3]. Rankin-Turner, Stephanie, and Liam M. Heaney. "Mass spectrometry in the clinical laboratory. A short journey through the contribution to the scientific literature by CCLM." Clinical Chemistry and Laboratory Medicine (CCLM) 61.5 (2023): 873-879.

　　[4]. Seger, Christoph, and Linda Salzmann. "After another decade: LC–MS/MS became routine in clinical diagnostics." Clinical biochemistry 82 (2020): 2-11.

　　[5]. 臨床質譜走"集成式全自動化"之路？抑或"靈活獨立化"之路？來源：儀器信息網。

　　[6]. Jannetto, Paul J., and Loralie J. Langman. "High-throughput online solid-phase extraction tandem mass spectrometry: Is it right for your clinical laboratory?." Clinical Biochemistry 49.13-14 (2016): 1032-1034.

　　[7]. Jiang, Yuming, et al. "The Future of Proteomics is Up in the Air: Can Ion Mobility Replace Liquid Chromatography for High Throughput Proteomics?." Journal of Proteome Research (2024).